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ビーム円形化技術の実験データ


ビーム円形化技術の実験データ


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Beam Circularization Setup
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 実験セットアップ上の黄色い四角で囲まれたエリアにビーム円形化システムを設置
Spatial Filter Setup
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図4: 空間フィルターシステム
Anamorphic Prism Pair Setup
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図3: アナモルフィックプリズムペアシステム
Cylindrical Lens Pair Setup
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図2: シリンドリカルレンズペアシステム

楕円ビームの円形化技術の比較 

端面発光型半導体レーザは、発光開口部の断面が長方形になっているため、楕円形のビームを出射します。開口部の短辺から出射されるビーム成分は、これに直交するビーム成分よりも大きな広がり角を有します。一方のビーム成分がもう一方よりも大きく拡散するため、ビームの形状は円形ではなく楕円形になります。

楕円形のビーム形状は、円形のビームよりも集光ビームのスポットサイズが大きいことで放射照度(面積あたりのパワー)が低くなってしまいます。楕円ビームを円形化する技術は複数ありますが、ここではシリンドリカルレンズアナモルフィックプリズムのペア空間フィルタを利用した3種類の方法で実験を行い性能を比較しています。 円形化されたビームの特性は、M2測定、波面測定、伝送パワー測定によって評価しました。

これらの円形化技術によって楕円形の入射ビームの真円度は向上しますが、それぞれの技術ごとに円形化やビーム品質および伝送パワーの特性が異なることを示しました。この「実験データ」タブ内に記載されている結果から、用途に必要な要件を満たした円形化技術を選択するべきである事がわかりました。

実験の設計とセットアップ

この実験セットアップは図1の写真で示されています。図2~4では温度制御された670 nm半導体レーザからの楕円コリメート光をそれぞれの円形化システムに入射させています。コリメートにより、広がり角は小さくなりますが、ビーム形状はレーザ出力時と変わりません。各システムは下記の光学系をベースに構成されています。

  • 平凸シリンドリカルレンズLJ1874L2-AおよびLJ1638L1-A(図2)
  • マウント無しアナモルフィックプリズムペアPS873-A(図3)
  • Ø5 µmピンホールP5Sを取り付けた空間フィルターシステムKT310(図4)

ビーム円形化システム(右写真参照)を黄色い四角で囲まれた空きスペースに1台ずつ設置しました。このようにすることでそれぞれの円形化技術を同じ実験条件で評価できるため、実験結果を直接比較することができます。この実験上の制約により取り付け方法も制約されるため、コンパクト化という点では最適化されていません。またアナモルフィックプリズムペアについても、より便利で光学的にも調整されたマウント済みの製品を使わずに、マウント無しの製品を用いています。

それぞれの円形化システムから出射されたビームの特性は、パワーメータ波面センサならびにM2システムを使用して測定を行い、評価されました。例示目的のため、実験セットアップの写真内、テーブルの右側に、これらの評価機器がすべて表示されていますが、評価は1種類ずつ行います。 パワーメータは、ビーム円形化システムが入射ビームの強度をどの位減衰させるのかを測定するために使用します。波面センサは、出射ビームの収差を測定するために使用します。M2システムは出力ビームのビーム品質(理想のガウシアンビームからの劣化具合)の測定に使用します。円形化システムはレーザービームの減衰もされず、収差も生じず、完全なガウシアンビームを出射することが理想的です。

端面発光型半導体レーザからの発光には非点隔差があるため、直交するビーム成分の変位した焦点をオーバーラップで望ましい形状が得られます。ここで調査している3種類の円形化技術のうち、シリンドリカルレンズペアのみが非点収差も補償することができます。直交するビーム成分の焦点間の変位はこれらすべての円形化技術で測定できます。シリンドリカルレンズペアの場合、構成を調整することでレーザービーム内の非点収差を最小限に抑えます。この非点収差は規格化しています。 

実験結果

実験結果を下の表にまとめています。緑色のセルは各カテゴリ内における最も良い結果を示しています。円形化の方法にはそれぞれの利点があります。用途に最適な円形化技術は、ビーム品質、伝送パワー、セットアップの制約に対するシステムの要件によって決まります。

空間フィルタは真円度とビーム品質を著しく向上させますが、ビームの伝送パワーは低くなります。シリンドリカルレンズペアは、伝送ビームを綺麗な円形にし、バランスの良い円形およびビーム品質を実現します。また、シリンドリカルレンズペアはビームの非点収差のほとんどを補償します。アナモルフィックプリズムペアによるビームの真円度はシリンドリカルレンズペアによる真円度と比較しても遜色ありません。シリンドリカルレンズと比較して、プリズムからの出力ビームのM2値は小さく、波面誤差は少なくなりますが、伝送パワーはやや低くなります。

MethodBeam Intensity ProfileCircularityaM2 ValuesRMS WavefrontTransmitted PowerNormalized 
Astigmatismb
Collimated Source Output
(No Circularization Technique)
Collimated
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Scale in Microns
0.36X Axis: 1.28
Y Axis: 1.63
0.17Not Applicable0.67
Cylindrical Lens PairCylindrical
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Scale in Microns
0.84X Axis: 1.90
Y Axis: 1.93
0.3091%0.06
Anamorphic Prism Pair
Anamorphic
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Scale in Microns
0.82X Axis: 1.60
Y Axis: 1.46
0.1680%1.25
Spatial FilterSpatial
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Scale in Microns
0.93X Axis: 1.05
Y Axis: 1.10
0.1034%0.36
  • 真円度(Circularity)=dminor/dmajor、ここでdminorとdmajorは対応する楕円(強度:1/e)の長径と短径を表し、真円度 = 1は完全な円形ビームを表します。
  • 規格化された非点収差(Normalized Astigmatism)はビームの2つの直交する成分のウェスト位置の差で、ウェストが小さい方のビーム成分のレイリ長で割った値です。 

円形化システムに使用されている部品は、同じ実験セットアップで全ての実験を行えるように選択されています。これにより、全ての円形化技術を直接比較することができます。ただし、円形化システムのセットアップを個別に最適化した方が性能は向上します。コリメートレンズおよびアナモルフィックプリズムペア用のマウントを使用すると、操作や実験システムへの取り付けが簡単に行えます。小型のマウントを使用して、それぞれのペア同士をより精密に設置して、実験結果を向上させることもできます。 また、焦点距離をカスタマイズした受注生産品のシリンドリカルレンズを使用して、シリンドリカルレンズペアの円形化システムの実験結果を向上させることもできます。ビームプロファイルソフトウェアのアルゴリズムを用いて、真円度の計算に使用するビーム半径を決定すると、全ての実験結果に影響を与えます。

追加情報

この実験で使用したコンポーネントの選択および構築方法についての情報は、下記のリンクをクリックしてご覧いただけます。


Posted Comments:
aruiz  (posted 2017-10-13 15:08:41.82)
Great Lab Fact!
tfrisch  (posted 2017-10-17 05:01:14.0)
Thank you for the Feedback! If you have any questions or further ideas, we'd be glad to discuss them with you. Please reach out to us at TechSupport@Thorlabs.com
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